电力谐波动态调谐滤波技术

前言

电力谐波是反映电能质量的主要指标之一。为适应电能质量新要求，无源滤波器以其高可靠性、结构简单、大容量、低成本等优势，广泛应用于工业、交通行业。目前主要问题是无源滤波器参数不能连续调节，动态调谐滤波器运行机理有待进一步揭示，关键部件优化设计与实现存在困难，无法满足实际工程需求。深入研究电力谐波动态调谐滤波技术具有重要的理论意义和工程应用价值。

作者对动态调谐滤波技术研究多年，利用电磁耦合滤波电抗器与多个滤波电容形成的串联滤波支路滤除谐波电流，为吸收大功率谐波电流提供了新途径。研究结果表明:动态调谐滤波器具有谐波抑制和节能的双重特性，不但吸收了谐波电流，降低了电流有效值，同时将吸收的谐波电流转换成基波电流，使功率因数提高，提高了电能质量和供电安全性，可以有效地实现工业中电力谐波的动态调谐和谐波抑制，为动态调谐滤波技术的应用奠定基础。动态调谐滤波技术在水泥和纺织行业得到了初步应用，表明动态调谐滤波器具有与有源滤波器基本相同的性能。本书的主要内容即是这一研究工作的成果总结。

(1)揭示了电磁耦合滤波电抗器的阻抗变换和电感量连续可调机理，实现申感量连续可调。针对传统铁芯电抗器电感量不可调问题，根据谐波治理需求，提出了一种新型的电磁耦合滤波电抗器结构设计方案。将单个绕组的铁芯电抗器设计成具有一次电抗绕组和二次电抗控制绕组的电磁耦合电抗变换器，二次电抗控制绕组接入电力电子阻抗变换器，增加二次滤波绕组接入本体滤波器，构建了具有阻抗变换和谐波抑制特性的电磁耦合滤波电抗器(基本型电磁耦合滤波电抗器)结构:为适应大谐波电流抑制需要，构建了扩展型电磁耦合滤波电抗器结构:构建了阻抗变换数学模型，并仿真分析阻抗变换特性，电磁耦合滤波电抗器相当于电感量可变的电抗器:分析推导出谐波数学模型，揭示了一次电抗绕组和二次电抗控制绕组间的阻抗和导纳关系;构建了谐波抑制数学模型并通过仿真，揭示了本体滤波器能完全吸收电力电子阻抗变换器产生的谐波电流机理。

(2)提出了一套工程实用的电磁耦合电抗变换器的工艺参数优化设计解决方案，可快速计算优化得到工艺参数。电磁耦合电抗变换器加工制造缺乏规范和技术标准，导致同一技术指标不同厂家加工出来的电磁耦合电抗变换器在性能方面存在差异，严重影响调谐性能和滤波效果。针对上述问题，优化设计了电磁耦合电抗变换器的工艺参数，开发了设计仿真系统，通过实例验证了工艺参数设计方法及其设计仿真系统的准确性。

(3)从理论上指出了实现电力谐波全调谐的途径，揭示了动态调谐滤波器具有谐波抑制和节能的双重特性，实现动态调谐滤波以及多点同时动态滤波。针对无源滤波器存在的参数不能连续调节、不能实现动态调谐问题，提出并研究了电力谐波动态调谐滤波方法。构建了动态调谐电力滤波系统及其谐波影响模型，揭示了电力变压器一次侧等效谐波电流与谐波源谐波电流之间的关系;提出了动态调谐滤波全调谐方法，使动态调谐电力滤波系统满足谐波治理国家标准;以电磁耦合滤波电抗器为核心部件，构建了动态调谐滤波器拓扑结构，分析了滤波、无功补偿和节能等原理:提出了动态调谐控制方法，实现动态调谐滤波:给出了动态调谐滤波器性能评价指标，实现对滤波器滤波性能的定量评价和验证;针对谐波源地域分散、谐波电流大或需要对多频次谐波电流治理等问题，配置多台动态调谐滤波器进行谐波治理，提出了分布式电力谐波抑制方法，实现了多点同时动态滤波。

(4)解决了动态调谐滤波器的电气参数设计问题。针对动态调谐滤波器电气参数对谐波电流吸收率、调谐性能和成本的影响问题，优化设计了动态调谐滤波器的电气参数。为了表征动态调谐滤波器吸收谐波电流量值大小，分析得到了谐波电流吸收系数:通过滤波电容器容量对滤波性能的影响试验，分析得出了滤波电流吸收值与滤波电容器容量的关系及其吸收系数范围;提出了滤波电容的容量设计方法和电磁耦合电抗变换器的额定参数设计方法;开发了优化仿真系统，并进行了实例计算，构建了参数设计预估模型。

研究的过程是一个“理论一优化设计→试验与工程应用”不断循环往复的过程，新的理论和方法在试验中提炼完善，同时又经受试验的检验。本书结构只是为了叙述的方便，而实际工作中理论研究、设计、试验与工程应用总是交织进行的。

全书共7章，是作者10年来研究工作的总结。在学习和研究过程中，得到作者的硕士和博士研究生导师武汉理工大学袁佑新教授、联合培养博士生导师美国威斯康星大学麦迪逊分校冉斌教授的悉心指导。为保持本书内容的完整性，引用了作者研究生导师研究团队的少量研究成果，在此一并致谢。由于本人学识水平和现有条件以及时间的限制，此项工作尚有一些不足之处有待完善。作者希望各位专家提出批评和建议。

学习研究和撰写本书过程中，得到武汉理工大学自动化学院、武汉科技大学信息科学与工程学院各位领导和同仁的支持帮助,得到南京康迪欣电气成套设备有限公司和武汉科闻机电集成系统有限责任公司的支持，在此谨对他们表示感谢!

电力谐波动态调谐滤波技术是一种电力谐波的有效抑制，与有源滤波器配合发挥二者优势，使之协调运行，更适合于高压大功率电力谐波治理，尤其考虑到

可靠性方面在高压领域具有很好的应用前景。本书只是一个开端，还有大量的工作要深入。如果本书能在吸引更多的同行加入这一研究领域，共同推动电力谐波动态调谐滤波技术的发展方面起到一点作用，作者将倍感欣慰。

限于作者的水平，书中不当和疏漏之处在所难免，敬请广大读者批评指正

王一飞

2023 年2月于武汉科技大学

本书详细介绍了电力谐波动态调谐滤波的理论、计算机仿真和试验等内容。具体内容包括无源滤波器谐波抑制综合性能、高性能抑制谐波、动态调谐滤波原理与调谐方法、电磁耦合滤波电抗器结构模型、动态调谐滤波器电气参数和电磁耦合电抗变换器工艺参数优化设计方法等，列举了将这些方法运用于单滤波器和多滤波器分布式电力谐波抑制的典型案例，并进行了深度分析与讲解。

王一飞，武汉科技大学副教授，武汉理工大学与美国威斯康星大学麦迪逊分校联合培养博士，主要研究方向：（1）电能质量控制技术；（2）智能控制与信息系统集成；（3）电力传动与分布式控制。2021年获批“楚天学者计划”的“楚天学子”称号，在美国学习期间发表论文11篇，其中被SCI检索收录5篇，EI检索收录6篇；授权发明专利4项，实用新型专利3项；参与美国发明专利申请1项。

第一章 绪 论

11.1 电力谐波滤波技术

11.2 电力谐波的标准和规范

21.3 无源滤波器

21.4 滤波电抗器

41.5 有源滤波器

41.5 本书主要内容

第二章 电磁耦合滤波电抗器的数学模型与特性

72.1 电磁耦合滤波电抗器构成原理

72.1.1 传统铁心电抗器结构

72.1.2 电磁耦合滤波电抗器原理

72.2 电磁耦合滤波电抗器结构

82.2.1 基本型电磁耦合滤波电抗器结构

82.2.2 大功率电磁耦合滤波电抗器结构

92.3 电抗变换器的数学模型与等效电路

92.4 基本型电磁耦合滤波电抗器的数学模型

112.4.1 基本型电磁耦合滤波电抗器的最大阻抗

112.4.2 基本型电磁耦合滤波电抗器的最小阻抗

112.4.3 基本型电磁耦合滤波电抗器的调节阻抗

122.5 基本型电磁耦合滤波电抗器的阻抗特性

122.6 大功率电磁耦合滤波电抗器阻抗变换数学模型

142.7 大功率电磁耦合滤波电抗器的阻抗特性

162.7.1 大功率电磁耦合滤波电抗器的最大阻抗

162.7.2 大功率电磁耦合滤波电抗器的最小阻抗

162.7.3 大功率电磁耦合滤波电抗器的调节阻抗

172.8 电磁耦合滤波电抗器的等效谐波阻抗

182.8.1 基本型电磁耦合滤波电抗器的等效谐波阻抗

182.8.2 大功率电磁耦合滤波电抗器的等效谐波阻抗

182.9 基本型电磁耦合滤波电抗器的滤波抑制特性19

第三章 电抗变换器工艺参数设计方法

223.1 工艺参数

223.2 工艺参数设计步骤

233.3 铁芯直径与绕组匝数计算方法

243.4 绕组高度与铁芯窗高计算方法

253.4.1 绕组扁铜线选取方法

253.4.2 电抗绕组高度计算方法

273.4.3 铁芯窗高计算方法

273.5 电抗绕组长度计算方法

293.6 绕组直径与铁芯中心柱绝缘半径计算方法

303.7 电抗变换器的重量计算方法

303.8 电抗变换器工艺参数设计仿真系统

313.8.1 主程序

313.8.2 铁芯直径与绕组匝数计算程序

323.8.3 绕组高度与铁芯窗高计算程序

323.8.4 电抗绕组长度计算程序

333.8.5 绕组直径与铁芯中心柱绝缘半径计算程序

333.8.6 电抗变换器的重量计算程序33

第四章 电力谐波动态调谐滤波方法

344.1 动态调谐电力滤波系统

344.2 动态调谐滤波全调谐方法

344.4.1 谐波影响模型与谐波影响系数

354.4.2 动态调谐滤波全调谐方法原理

374.4.3 动态调谐滤波全调谐方法实现

384.3 动态调谐滤波器拓扑结构

384.4 动态调谐滤波器原理

394.4.1 动态调谐滤波原理

394.4.2 无功补偿原理

414.4.3 节能机理

424.4.4 电抗率稳定机理

434.5 动态调谐控制方法

444.5.1 控制目标的选取

444.5.2 动态调谐控制方法原理

454.6 自寻优控制策略

454.7 动态调谐滤波器的性能评价指标

474.7.1 抑制性能评价指标

474.7.2 节能性能评价指标

474.7.3 动态调谐滤波效率评价指标

484.8 分布式电力谐波抑制方法

484.8.1 多台动态调谐滤波器配置

484.8.2 分布式电力谐波抑制系统方案

494.8.3 分布式电力谐波抑制方法的实施步骤50

第五章 动态调谐滤波器电气参数设计优化方法

515.1 电气参数设计方法

515.1.1 谐波电流吸收系数

515.1.2 谐波电流关系系数

535.1.3 挂网试验

555.1.4 滤波电容的容量设计方法

565.1.5 电抗变换器的额定参数设计方法

575.2 电气参数遗传优化方法

575.2.1 优化目标函数

575.2.2 电气参数优化步骤

585.2.3 优化结果确定

595.3 动态调谐滤波器参数的遗传优化系统60

第六章 动态调谐滤波器研制

616.1 动态调谐滤波器的主电路设计

616.2 电气参数设计与优化实例

626.2.1 谐波源与优化参数设置

626.2.2 参数优化结果

636.2.3 参数优化结果输出

636.2.4 电气参数快速估算

636.3 电抗变换器工艺参数设计实例

646.3.1 设计技术指标

646.3.2 设计参数设置

656.3.3 工艺参数设计结果

656.3.4 工艺参数提取

656.4 控制系统的方案设计

676.6 控制系统硬件设计

686.6.1 操作回路设计

686.6.2 谐波采集电路设计

706.6.3 脉冲触发电路设计

706.7 PLC的输入输出通道设计

716.7.1 PLC的开关量输入通道设计

716.7.2 PLC的开关量输出通道设计

726.7.3 PLC的模拟量输出通道设计

726.8 PLC控制系统软件程序设计

736.8.1 程序功能设计

736.8.2 符号表的设计

746.8.3 主程序

746.8.4 初始化子程序

766.8.5 Modbus通信程序

766.8.6 故障与报警子程序

776.8.7 谐波分析子程序

786.8.9 电网检测子程序

786.8.9 寻优处理子程序

786.9 MCGS组态软件程序设计

806.9.1 触摸屏总体框架设计

806.9.2 登录界面

806.9.3 主菜单界面

816.9.4 电容配置界面

816.9.5 参数整定界面

826.9.6 实时监测界面

826.9.7 故障显示界面

826.9.8 用户管理界面

836.9.9 关于界面

836.10 PLC与MCGS的通信设计83

第七章 工程应用方法与实例

857.1 工程应用实施方案

857.2 工程试验方法

857.3 单谐波源谐波抑制工程实例

877.4 多谐波源谐波抑制工程实例

887.5 对比性试验结果与分析

907.5.1 对比性试验结果

907.5.2 对比性试验分析

907.6 分布式电力谐波抑制工程实例

917.6.1 谐波治理方案

917.6.2 谐波电流治理效果

917.7 分布式电力谐波抑制仿真实例

927.7.1 船舶电力推进系统组成与特点

927.7.2 船舶电力推进系统的谐波源

937.7.3 船舶推进变频器的谐波特性

937.7.4 谐波抑制仿真结果94

本书详细介绍了电力谐波动态调谐滤波的理论、计算机仿真和试验等内容。具体内容包括无源滤波器谐波抑制综合性能、高性能抑制谐波、动态调谐滤波原理与调谐方法、电磁耦合滤波电抗器结构模型、动态调谐滤波器电气参数和电磁耦合电抗变换器工艺参数优化设计方法等，列举了将这些方法运用于单滤波器和多滤波器分布式电力谐波抑制的典型案例，并进行了深度分析与讲解。

王一飞，武汉科技大学副教授，武汉理工大学与美国威斯康星大学麦迪逊分校联合培养博士，主要研究方向：（1）电能质量控制技术；（2）智能控制与信息系统集成；（3）电力传动与分布式控制。2021年获批“楚天学者计划”的“楚天学子”称号，在美国学习期间发表论文11篇，其中被SCI检索收录5篇，EI检索收录6篇；授权发明专利4项，实用新型专利3项；参与美国发明专利申请1项。